모터 코어 10: 슬롯/극 - 고정자 및 회전자 설계 선택 방법

엔지니어들이 모터에 대해 이야기할 때 보통 자석, 구리 충전 또는 인버터 트릭에 대해 이야기합니다. 하지만 조용히, 그 모든 것의 밑바탕에는 다음과 같은 것이 있습니다. 매우 간단한 결정이 거의 모든 것을 좌우합니다:

몇 개의 고정자 슬롯과 몇 개의 로터 폴을 사용하고 있나요?

슬롯과 극의 조합에 따라 모터가 부드럽게 윙윙거리거나 비명을 지르는지, 자석이 시원하게 작동하는지 아니면 익는지, 기계가 제조하기 쉬운지 아니면 악몽이 되는지 결정됩니다. 최근의 연구 결과도 계속해서 같은 결론에 도달하고 있습니다: 슬롯/폴 선택은 가장 먼저 해야 할 설계 결정입니다.특히 최신 분수 슬롯 집중 와인딩(FSCW) 기계의 경우 더욱 그렇습니다.

• 이 글이 끝날 무렵에는 이렇게 할 수 있을 것입니다:
  • "12s/10p"와 같은 슬롯/극 표기를 읽고 이것이 와인딩, 코깅 및 토크에 어떤 의미가 있는지 즉시 상상해 보세요.
  • 슬롯과 폴이 어떻게 공동으로 고정자 톱니 형상, 로터 자석 레이아웃 및 손실을 제한합니다.
  • 10가지 실제 슬롯/폴 조합을 비교하고 어떤 제품군이 전기차, 드론, 펌프 또는 직접 구동 방식에 적합한지 알아보세요.
  • 공급업체가 '표준' 라미네이션 또는 로터 폴 수를 제안할 때 훨씬 더 날카로운 질문을 던지세요.

1. 슬롯, 폴 및 q30초 멘탈 모델

3상 기계에 대한 용어를 수정해 보겠습니다(다음 내용은 대부분 쉽게 일반화됩니다):

• 슬롯(Q) - 치아와 슬롯의 고정자 코어 구리가 사는 곳입니다.
• 폴(2p) - 북극/남극 주변의 로터 (또는 일부 토폴로지의 경우 고정자).
• 위상당 극당 슬롯(q) - 키 비율입니다:

[ q = \frac{Q}{m \cdot 2p} \쿼드 \text{(with } m = 3 \text{3상 기계의 경우)} ]} ]

이 단일 번호입니다, q는 와인딩이 "적분 슬롯"(정수( q) 또는 "분수 슬롯"(정수가 아닌 q). 현재 전기차, 항공 우주 및 발전기에서 흔히 볼 수 있는 분수 슬롯 집중 권선(FSCW) 기계는 의도적으로 q < 1 높은 토크 밀도와 짧은 엔드 턴에 적합합니다.

• 슬롯/폴 선택이 실제로 제어하는 것(쉬운 용어로 설명):
  • 토크 밀도 - 극이 많을수록 일반적으로 저속에서 부피당 토크가 커지지만 기본 속도도 낮아집니다.
  • 코깅 및 토크 리플 - 특정 조합은 심한 토크 맥동을 일으키고, 다른 조합은 거의 "평균화"됩니다.
  • 와인딩 팩터 - MMF 펀더멘털이 얼마나 효과적으로 합산되는지, 잘못된 조합은 구리와 자석의 양을 낭비합니다.
  • 소음 및 진동 - 일부 슬롯/극 패턴은 고정자에 강한 방사형 힘을 가하여 음향 노이즈를 유발합니다.
  • 제조 가능성 - 코일 삽입의 복잡성, 기울기, 라미네이션의 다양성, 자석 분할의 필요성.

2. 정수형 슬롯과 분수형 슬롯: 선택의 갈림길

역사적으로 대형 산업용 모터는 다음과 같이 시작되었습니다. 일체형 슬롯 분산 권선:

• 예시: 36슬롯/4극, 3상
  • q = 36 / (3-4) = 3
  • 작고 겹쳐진 많은 코일 → 매우 정현파적인 MMF, 낮은 고조파 함량, 낮은 토크 리플.

그 후 극 수가 많은 PM 기계와 다이렉트 드라이브 애플리케이션이 등장했습니다. 구리를 짧게 유지하고 권선을 간소화하기 위해 설계자는 다음과 같이 전환했습니다. 분수 슬롯 집중 권선(FSCW) 각 치아에는 농축된 코일이 있고 q 는 분수입니다.

이는 단순한 유행의 변화가 아니었습니다. 슬롯/폴 쌍을 선택하는 방식이 근본적으로 바뀌었습니다.. 이제 "멋진 분산 와인딩을 제공하는 모든 것" 대신 타깃을 지정합니다:

• 높은 기본 와인딩 계수 (많은 디자인에서 ≈ 0.9 이상).
• 높은 코깅 토크 주파수 (따라서 개별 코깅 펄스가 작습니다).

• 다음을 사용하여 빠른 정신적 분류 q:
  • q ≥ 2 → "클래식" 분산 권선(예: 36/4): 토크는 부드럽지만 구리 길이가 더 길고 권선이 더 복잡합니다.
  • 1 ≤ q < 2 → 소형 분산 또는 반농축; 산업용 PMSM에 자주 사용됩니다.
  • 0.25 ≤ q < 1 → 분수 슬롯 집중는 최신 고극 PM 기계와 휠 허브 모터를 지배합니다.
  • q < 0.25 → 극단적인 분수; 일반적으로 슬롯 수에 비해 극이 너무 많아서 매우 신중하게 설계하지 않는 한 강력한 기생이 발생합니다.

3. 슬롯/극 조합이 고정자 설계를 재구성하는 방법 3.

Q와 2p를 선택하면 고정자 지오메트리 공간 붕괴 를 실행 가능한 옵션으로 축소했습니다:

• 치아 폭 및 채도.
  • 더 적은 슬롯(작은 Q) → 넓은 톱니는 플럭스 밀도를 밀어붙이면 포화되어 토크를 제한할 수 있습니다.
  • 더 많은 슬롯 → 더 좁은 톱니, 포화되기 쉽지만 MMF 모양을 더 잘 제어할 수 있고 슬롯 개구부를 조정할 수 있는 옵션이 더 많아집니다.
• 슬롯 개방 및 고조파.
  • 톱니 끝 너비와 슬롯 개구부의 비율에 따라 에어 갭 투과율 변화와 코깅 토크가 달라집니다.
  • 슬롯 개구부를 닫고 특정 Q/2p 조합을 사용하면 막힘 현상을 크게 줄일 수 있지만 제조 및 삽입이 복잡해질 수 있습니다.
• 열 경로 및 채우기 계수.
  • 슬롯 수가 많으면 열이 빠져나갈 수 있는 둘레가 넓어질 뿐만 아니라 단열 인터페이스도 늘어납니다.
  • 분수 슬롯 권선은 코일 모양을 단순화하고 각 슬롯의 구리 패킹을 개선하여 더 작은 슬롯 면적의 균형을 맞출 수 있습니다.

• 제안된 슬롯/폴 쌍을 바라볼 때 고정자 측 체크리스트를 확인하세요:
  • "Is q 내 제조 및 와인딩 유형에 맞는 편안한 범위(≈0.25-3) 내에 있습니까?"
  • "깊은 포화 상태까지 밀어붙이지 않고 목표 치아 플럭스 밀도를 달성할 수 있나요?"
  • "구리를 위한 충분한 슬롯 공간이 있습니까? 그리고 필요한 전류 밀도에서 절연이 가능한가요?"
  • "이 조합의 코깅을 관리하기 위해 슬롯 스큐, 더미 슬롯 또는 톱니 노치와 같은 트릭이 필요한가요?"
  • "이 Q는 기존 라미네이션 툴링을 재사용할 수 있나요, 아니면 새로운 펀치 세트를 의미하나요?"

4. 무시할 수 없는 로터 결과

슬롯/폴 조합을 변경하면 로터의 전체 작업자속을 전달하는 방법, 자석의 크기와 배치 방법, 자석과 축에 부딪히는 고조파 등입니다.

For 표면 실장형 PMSM 및 SPM 기계최근 비교 연구에 따르면 극/슬롯 선택이 큰 영향을 미친다고 합니다:

• 백-EMF 파형 모양.
• 코깅 토크 진폭 및 주파수.
• 자석과 로터 코어의 손실.

For 인테리어 PM(IPM) 또는 꺼림칙함 기계의 경우 동일한 슬롯/극 쌍에 따라 플럭스 장벽을 배치할 수 있는 위치와 D축 및 Q축 인덕턴스가 얼마나 잘 분리되는지가 결정되며, 이는 전계 약화에 매우 중요합니다.

• 로터 측에서 슬롯/폴 제안을 요청하는 질문입니다:
  • "고정자 이빨을 과도하게 포화시키지 않고 좋은 토크를 얻으려면 어떤 극 아크(자석 스팬)가 필요할까요?"
  • "코깅 토크 주파수가 충분히 높아서 진폭이 작게 유지되나요?" (슬롯과 극의 LCM이 높을수록 주파수, 진폭이 작아집니다.)
  • "이 슬롯/극 쌍의 서브 고조파가 하우징이나 샤프트에서 문제가 되는 진동 모드를 유발하나요?"
  • "조립이나 비용을 들이지 않고 자석을 분할하거나 로터를 기울일 수 있나요?"
  • "이 조합이 내 최대 기계적 속도(원심력 대 자석 밀도)에 적합합니까?"

5. 10가지 실제 슬롯/폴 조합과 그 의미 5. do

아래는 실용적인 스냅샷 3상 모터의 일반적인 또는 예시적인 슬롯/극 조합 10가지입니다. 이는 "좋은 것과 나쁜 것"을 구분하는 것이 아니라 고정자와 회전자 선택이 어떻게 연결되는지 생각해 볼 수 있는 출발점입니다.

q 는 3상(m = 3): q = Q / (3-2p)

큰 그림: (36/4)에서 (48/40)으로 내려갈수록 속도와 토크를 교환하고, 신중한 고조파 및 기계적 제어가 필요한 소형 고극수 기계의 경우 "예쁜 사인파"를 얻게 됩니다.

• 누군가 슬롯/폴 조합을 제안하면 스스로에게 물어보세요:
  • "저 표의 어느 행과 가장 '가깝게' 느껴지나요?"
  • "나는 '산업용 36/4 세계'에 더 가까운가, 아니면 '48/40 직접 구동 세계'에 더 가까운가?"
  • "내 라미네이션 및 자석 기술은 그 스펙트럼의 고극 쪽에 충분히 성숙해 있는가?"

6. "좋은" 슬롯/폴 조합에 대한 연구 결과

다양한 머신 유형에 대해 "가장 좋은 슬롯/폴 쌍은 무엇인가?"라는 질문에 대한 답을 찾기 위해 많은 학술 연구가 시도되었습니다. 정직한 요약은 다음과 같습니다: 우선순위에 따라 다릅니다. - 하지만 거기 는 패턴.

권선이 집중된 PM 기계에 대한 최근 문헌의 주요 연구 결과:

• 높은 와인딩 계수 + 높은 코깅 빈도 = 강력한 후보.
  • FSCW 머신에 대한 연구에 따르면 슬롯 수가 극 수에 가까운 조합은 0.95 이상의 와인딩 계수를 달성할 수 있습니다, 만약 레이아웃은 대칭입니다.
  • 동시에 슬롯과 폴의 최소공배수(LCM)가 높으면 코깅 토크 주파수가 높아지고 일반적으로 진폭이 낮아집니다.
• 하지만 일부 '와인딩 팩터가 높은' 레이아웃은 문제가 될 수 있습니다.
  • 리버트 & 소울라드의 고전적인 연구는 다음과 같은 조합을 보여줍니다. Qs = 9 + 6k 와 함께 p = Qs ± 1 (9/8 포함)은 주의 깊게 완화하지 않으면 매우 높은 토크 리플과 불균형한 자기력을 가질 수 있습니다.
• BLDC/PM 머신을 위한 설계 경험 법칙:
  • BLDC에 대해 널리 인용되는 지침 중 하나는 다음을 보장하는 것입니다:
    • 위상당 단위 권선당 슬롯의 정수 수입니다.
    • 3상 대칭이 충족되었습니다.
    • q > 0.25.
    • 피치 계수 > 0.5, 전체 와인딩 계수 > 0.85.
• 애플리케이션별 최적화가 중요합니다.
  • 2023-2025년 연구에 따르면 '최적의' 조합은 다음과 같습니다:
    • 드론 발전기(무게와 효율성에 집착하는).
    • 드릴링 PMSM(저속, 큰 토크, 강한 자기장 약화).
    • 라디에이터 팬 모터(작고 조용하며 내구성이 뛰어나야 함).
  • 각각의 경우 슬롯/극은 로터 토폴로지, 냉각 개념 및 제어 제약 조건과 함께 선택됩니다. 절대 고립되지 않음.

• 이 모든 연구를 하나의 정신적 규칙으로 변환하는 방법:
  • 다음과 같은 조합으로 시작하세요:
    • 제공 분수 q 0.3~0.7 사이 컴팩트한 FSCW 디자인을 원한다면
    • 다음과 같은 경우가 아니라면 악명 높은 '불균형' 패턴(예: 일부 9/8형 레이아웃)은 피하세요. 알다 토크 리플과 소음을 처리하는 방법.
    • 가지고 대형 LCM(Q, 2p) 를 눌러 코깅 주파수를 높이고 진폭을 낮춥니다.

7. 실용적인 선택 워크플로(고정자 + 회전자 함께)

다음은 인간 친화적 새로운 모터의 슬롯/극 조합을 선택하는 방법은 고급 연구 및 실제 설계 사무소에서 실제로 수행하는 작업을 반영합니다.

1. 쉬운 것부터 수정하기
   • Target 속도-토크 포인트 정격 작동 및 최대 속도에서.
   • 다음 사항을 결정합니다. 머신 유형: SPM, IPM, 동기 릴럭턴스 등
   • 대략적으로 다음과 같이 결정합니다. "분산"(q ≥ 1) 또는 "집중"(q < 1) 캠프.
2. 후보 Q/2p 쌍의 짧은 목록을 선택하세요.
   • 애플리케이션 제품군을 사용하세요:
     • 펌프/팬/일반용 → 12/4, 24/4, 36/4 근처에서 시작합니다.
     • 컴팩트 서보/액추에이터 → 12/8, 12/10, 18/16을 사용해 보세요.
     • 고토크 저속 → 24/22, 27/22, 36/30, 48/40을 보세요.
   • 각 후보에 대해 다음을 계산합니다. q 제조 안전지대를 벗어나는 모든 것을 신속하게 거부할 수 있습니다.
3. 고정자 측 성능 평가
   • 계산 와인딩 팩터 및 MMF 고조파(빠른 분석 도구나 스프레드시트도 도움이 됩니다).
   • 확인 슬롯 채우기, 치아 플럭스 밀도 및 대략적인 구리 손실.
   • 기울기, 노치, 보조 슬롯, 이빨 끝 모양 등 필요한 고정자 트릭을 파악합니다.
4. 로터 측 성능 평가
   • 각 후보에 대해 자석 레이아웃, 극 호 및 세분화를 스케치합니다.
   • 견적 코깅 토크 레벨 및 주파수(LCM 기반)를 확인하고 애플리케이션 감도와 비교합니다.
   • 최대 속도에서의 기계적 응력과 자석 및 로터 철에 대한 냉각 영향을 살펴보세요.
5. 최종 후보자 2~3명에 대해서만 빠른 FEA 실행
   • 최근 논문에서는 FEA를 통해 포화도와 누출을 정확하게 확인할 수 있지만 가능한 모든 조합을 시뮬레이션할 필요는 없고 유망한 조합만 시뮬레이션할 수 있다고 강조합니다.
   • 비교:
     • 평균 토크 및 토크 리플.
     • 백-EMF 모양 및 THD.
     • 손실 및 열 핫스팟.
6. "가장 고통이 적은" 타협점을 선택하세요.
   • 완벽한 승자는 거의 없으며, 최선의 선택이 최선의 선택입니다:
     • 여유를 가지고 성과 목표를 달성합니다.
     • 라미네이션, 와인딩 및 자석 공급망으로 제조할 수 있습니다.
     • 떠남 옵션 (예: 나중에 모든 것을 다시 디자인하지 않고도 치아를 노치하거나 폴 아크를 조정하거나 약간 기울일 수 있음).

• 이 글에서 기억나는 것이 없다면 이것만 기억하세요:
  • 슬롯/폴 조합은 단순히 와인딩 테이블에 대한 호기심을 자극하는 것이 아니라 첫 번째 디자인 레버 고정자와 회전자에 허용되는 동작까지 제한합니다.
  • 일단 Q와 2p에 집중하면 그 이후의 모든 최적화는 데미지 관리 또는 개선에 불과합니다.

8. "모터 코어 10"으로 되돌리기

"모터 코어 10"을 10번째 필수 설계 결정 사항으로 생각한다면, 슬롯/극 조합은 아마도 상위 세 가지에 속할 것입니다. 자석 등급, 인버터의 정교함, 냉각 등 다른 모든 요소는 이 토대 위에 구축됩니다.

따라서 다음에 데이터시트에서 다음과 같이 자연스럽게 말할 수 있습니다. "12-슬롯, 10극"고개를 끄덕이고 넘어가지 마세요. 잠시 멈추고 물어보세요:

• "고정자의 톱니 형상과 열 경로에 대해 무엇을 알 수 있을까요?"
• "극 아크, 세분화, 기계적 무결성 등 로터에 어떤 영향을 미칠까요?"
• "이 조합이 정숙성, 토크, 비용 또는 효율성과 같은 내 우선순위에 부합하는가?"

슬롯/폴 조합이 다음과 같이 표시되기 시작하면 단순한 숫자가 아닌 디자인 레버를 사용하면 경쟁사보다 훨씬 쉽게 엔지니어링할 수 있으며, 고객과 더 나은, 더 근거 있는 대화를 나눌 수 있습니다. 라미네이션 공급업체 및 모터 제조업체.